汽車自動駕駛過程中不同姿態乘員在追尾碰撞中的損傷研究

武和全 邊楚虹 胡林 龔創業

摘要：為探究自動駕駛情形下不同姿態乘員在追尾碰撞中的損傷風險，利用THUMS人體模型研究了不同姿態下乘員的生物力學響應。通過對比尸體試驗的運動學響應對THUMS乘員約束系統模型的有效性進行了驗證，在此基礎上調整THUMS姿態，使其分別為E-NCAP規范下的標準乘員姿態和120°、150°、180°姿態。然后搭建對應的4種不同座椅角度追尾碰撞模型，對其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形（中速4.88g和高速6.44g）。通過8組仿真試驗對比發現，在追尾碰撞中，標準姿態與120°姿態下的乘員損傷風險較小；頸部棘突間韌帶應變值隨乘員傾斜角度增大而減小；150°與180°姿態下乘員存在頸部前縱向韌帶拉傷的風險；安全帶在4種乘員姿態下均可起到約束作用，乘員下肢會以骨盆為中心發生偏轉，肋骨未發生骨折，內臟器官均未見損傷。

關鍵詞：自動駕駛；不同姿態；追尾碰撞；乘員損傷

中圖分類號：U491.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.012

Research on Injury of Occupants with Different Postures in Rear End Impacts during Automatic Driving

WU Hequan1，2 BIAN Chuhong1 HU Lin1 GONG Chuangye1

1.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Education Department of Hunan Province，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410004

2.Bioengineering Center，Wayne State University，Detroit，MI48201

Abstract： In order to explore the injury risk of occupants under different postures in automatic driving， the THUMS model was used to explore the biomechanical response of occupants in different postures. Firstly， the effectiveness of the THUMS occupant restraint system model was verified by comparing kinematics response of the cadaveric test. Based on this， the THUMS manikin posture was adjusted to be the standard occupant attitude under the E-NCAP specification and attitudes of 120°， 150° and 180° respectively. Then， four models of rear end impact with different seat angles were built， and two rear-impact acceleration waveforms （medium speed of 4.88g and high speed of 6.44g） under E-NCAP protocols were applied to them. Through the comparison of eight groups of simulation tests， it is found that in the rear end impact， the risk of injury to the passengers in the standard posture and 120°sitting posture are relatively low. The strain value of cervical interspinous ligament decreases with the increase of occupant tilt angle. In 150° and 180° postures， there are risks of pulling the anterior longitudinal ligament of the neck. The safety belt may restrain the passengers in all four postures. The lower limbs of the passengers deflect with the pelvis as the center. The ribs and the internal organs are not damaged.

Key words： automatic driving； different posture； rear end impact； injury of occupant

收稿日期：2022-09-28

基金項目：

國家自然科學基金（52172399，52211530054）；湖南省自然科學基金（2021JJ30723）；長沙理工大學學位與研究生教學改革研究項目

0 引言

隨著人工智能技術的不斷發展，自動駕駛汽車在近年來得到了廣泛的關注與應用［1-2］。多個國家開始允許自動駕駛汽車的研發與銷售，并進行道路測試［3］。通過部分企業測試數據來看，自動駕駛技術發展迅速［4］。

在自動駕駛汽車時代，駕駛活動對駕駛員的要求與約束越來越少，駕駛員關注非駕駛活動的意愿在不斷增加，他們可以解放雙手擁有更多的時間與空間進行休閑娛樂，這也對車內的布置提出了新的要求，汽車內飾的設計越來越受到消費者的關注［5］。自動駕駛汽車可以為乘客提供適當的座位配置、空間和便利，便于乘客在各種情況下舒適、安全地移動。例如前排乘客可轉動180°，以便駕駛員和乘客可以相互交談，同時座椅可以傾斜甚至躺臥以滿足乘客對舒適度的要求［6-7］。在一項調查中發現，用戶在汽車短距離行駛過程中更傾向于將座椅傾斜到更放松的位置［8］。汽車行駛風格多種多樣，相應的車載系統配置不斷升級努力避免碰撞事故發生［9-10］，自動駕駛產業雖然蓬勃發展，但仍受到現有技術發展與成本等因素的限制，存在一定的碰撞安全隱患［11］，因此新型駕駛環境下對于乘員的保護尤為重要。

關于乘員不同姿態的研究目前相對較少。當前用于評估車輛安全性的監管流程主要針對處于標準姿態且座椅靠背與垂直方向的夾角約為25°的乘員［12］。ZHANG等［13］調查收集了前排乘客常用的姿態列表，包括29種成人姿態和13種兒童姿態。發現其中成年人最常見的兩種姿態是直立坐在坐墊尾部，另一種是坐在坐墊的一部分，膝蓋朝前，與左側成30°，這兩類姿態的可能性占95%。BOSE等［14］研究了在正面碰撞中乘員的質量、身高、姿態和支撐水平對乘員損傷的影響，發現與駕駛員群體中代表性的乘員人體測量范圍相比，駕駛員姿態的代表性變化對碰撞期間的傷害結果具有更顯著的影響。當乘員處于非標準姿態時，座椅安全帶或安全氣囊往往無法為其提供有效保護，甚至會對乘員造成一定的傷害。同時座椅靠背和坐墊的傾角大小也會對乘員損傷造成影響，如肖志等［15］研究了追尾碰撞中乘員姿態對乘員動力學響應和頸部損傷的影響，發現乘員處于離位坐姿時的頸部損傷參數值遠大于正常坐姿時的參數值，同時頭枕位置與剛度、座椅靠背剛度也會影響乘員頸部損傷。MJSA等［16］研究了不同靠背和坐墊角度組合下乘員躺臥的損傷風險，預測了在自動駕駛車輛中基于車輛限制的最有利的睡眠姿勢為座椅坐墊角度為40°和靠背角度為155°的組合。JIANG等［17］研究了乘員半傾斜和傾斜休息模式時的頭部HIC值、頸部Nij值以及胸部壓縮量值。

在汽車碰撞中車輛的碰撞速度與乘員受傷程度息息相關［18］，本文基于自動駕駛汽車，在典型的三點約束系統下，通過THUMS（total human model for safety）人體模型研究對比標準姿態、120°、150°和180°這4種不同姿態角度乘員在不同追尾碰撞速度下的運動學響應和損傷分析。

1 研究方法

1.1 THUMS乘員約束系統模型搭建

通過對比KANG等［19-20］系列尸體試驗（PMHS）樣本的追尾碰撞運動學響應，對搭建的乘員約束系統進行有效性驗證。參考的PMHS試驗樣本編號為PMHS2。試驗設置的邊界條件是將PMHS使用三點式安全帶約束在座椅上，座椅靠背初始角度與垂直方向的夾角約為25°，尸體頭部重心（CG）到頭枕頂面的垂直距離為50±5 mm，安全帶腰帶與肩帶的初始安全帶張力分別為17.8 N與26.7 N。

本文利用THUMS（V4.0，AM50）模型（圖1）參考PMHS試驗定位人體模型并建立約束系統模型。在未來自動駕駛中，駕駛員無需保持駕駛姿勢，因此手臂可以垂下平放于腿部。固定THUMS人體模型的肩胛骨與鎖骨部位，對手臂施加1g加速度，調整手臂姿態，使其更加符合實際情況。模型包括汽車座椅、乘員、三點式安全帶等，座椅模型基于公開的汽車座椅。PMHS試驗設置與搭建的THUMS仿真模型分別如圖2、圖3所示，對座椅施加的加速度波形如圖4所示。

1.2 乘員追尾碰撞模型的建立

乘員追尾碰撞模型由人體模型、座椅、安全帶等組成。座椅包括座椅框架、坐墊、靠背以及頭枕。座椅模型基于公開的豐田YARiS（NHTSA，2010），ZELLMER等［21］的研究表明批量生產的座椅無法承受高強度的后部載荷，因此對座椅框架進行剛化處理，以消除未經驗證的材料失效所產生的影響，其中座椅初始角度為100°，以座椅靠背鉸接處為旋轉中心，調整靠背與坐墊夾角分別呈120°、150°和180°。

現有的THUMS人體有限元模型為坐姿和直立姿態兩種，其坐姿模型骨盆區域無法適應大角度座椅靠背。因此利用現有模型，在建立人體模型與座椅系統后，對模型系統施加重力場并設置相應的接觸，提取運算結束時刻的狀態，即人體模型與座椅相互作用并達到平衡的狀態，其中人體模型頭部與座椅頭枕正常貼合，手臂自然平放，雙腳正常放置。按照E-NCAP揮鞭試驗規范設置一組標準乘員姿態作為對照，要求模型骨盆角為26.5°±2.5°，兩膝之間距離為200 mm［22］。4種不同姿態追尾碰撞模型如圖5所示。安全帶系統采用某商務車中間排座椅的三點一體式安全帶，卷收器、滑環和鎖扣等與座椅剛體支撐結構固定連接，安全帶卷收器限力設置為4 kN，預緊限力設置為2 kN［23］。

本文碰撞仿真試驗根據E-NCAP選用兩種加速度波形，根據平均加速度大小分為中速4.88g和高速6.44g［24］，如圖6所示。

1.3 仿真試驗中乘員損傷評價

頭部損傷一般主要包括顱骨骨折和腦組織損傷，THUMS人體模型具有詳細的顱腦組織結構特征，可以直接分析顱內壓力和等效應力，可作為評價大腦損傷的指標。根據WARD等［25］的研究，當顱內壓力小于173 kPa時，會發生輕微損傷或者無損傷；當顱內壓力在173～235 kPa時，會產生中度損傷；當顱內壓力大于235 kPa時，會導致嚴重損傷。根據WILLINGER［26］的研究，當顱內等效應力在15～20 kPa時，會造成腦震蕩；當顱內等效應力達到38kPa時，會導致嚴重的腦部損傷。

頸部損傷評估參考值（IARVs）已規定頭部和頸部連接處（OC/C1）以及頸部和軀干連接處（C7/T1）的軸向力、剪切力和彎矩的限值［27］。

根據YOGANANDAN等［28］的研究，測量前縱向韌帶、后縱向韌帶、關節囊韌帶、黃韌帶和棘突間韌帶的最大主應變，并根據其相應的損傷閾值判斷頸部韌帶損傷。

THUMS人體模型具有詳細的位于胸、腹部的內臟生物學組織結構特征（圖7），能夠直接分析其壓力、等效應力和應變等。STITZEL等［29］研究發現，當肺部應變達到35%時，肺部會發生損傷。根據YAMADA［30］ 的研究，心臟引起損傷的應變閾值為30%。MELVIN等［31］研究發現，肝臟、腎臟和脾臟的應變耐受值為30%。

2 試驗結果

2.1 THUMS乘員約束系統驗證結果

本文進行THUMS乘員約束系統模型驗證時，與KANG等［19-20］追尾碰撞尸體試驗的運動學響應進行了對比。圖8所示為THUMS模型與尸體樣本在不同時刻的運動學響應對比。

追尾碰撞仿真驗證試驗中，在0～40 ms內，由于沖擊速度不大，仿真人體模型姿態幾乎沒有發生變化，頭部因慣性保持靜止，胸部在椅背推動下向前移動；在40～80 ms內，頭部逐漸相對于頸椎向后移動，接觸頭枕，接觸時長超過40 ms；之后頭部逐漸脫離頭枕，在肌肉和韌帶的作用下發生回彈運動，仿真人體模型與尸體姿態響應一致。仿真得到的頭部質心在水平方向的加速度曲線如圖9所示，尸體試驗與仿真試驗結果中加速度峰值分別為26.5g與28.8g，峰值出現時刻分別為86 ms與82 ms，可以看出，在160 ms之內，仿真所得的曲線與尸體試驗所得曲線趨勢基本一致，加速度峰值到達時刻略微提前。這可能是由于人體死亡后頸部肌肉力消失，且座椅頭枕形狀有差異，會影響頭部運動。但整體仿真試驗模型的運動學響應與尸體試驗有較高相似度，因此，乘員約束系統有效性得以驗證。

2.2 追尾碰撞仿真試驗及損傷分析

2.2.1 標準姿態追尾碰撞仿真試驗及損傷分析

標準姿態下中高速追尾碰撞仿真試驗乘員運動學響應如圖10、圖11所示。在0～45 ms中，座椅加速向前運動，座椅靠背對乘員背部的支撐力逐漸增大，分別在52 ms與48 ms時人體頭部與頭枕接觸，乘員身體軀干沿靠背向上爬升，頸部發生彎曲，小腿部回縮與座椅靠墊產生接觸。隨后乘員頭部分別于90 ms與126 ms脫離頭枕，在慣性作用下，頭部相對頸部向前運動。高速追尾碰撞中由于沖擊力更大導致乘員頭部與頭枕接觸時間長于中速情況，因此在140 ms結束時刻高速下乘員頭部與頭枕的距離更近。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆140 ms時刻運動學響應對比如圖12所示，140 ms時高速追尾碰撞下乘員距離頭枕與座椅更近。

THUMS人體模型具有詳細的顱腦組織結構特征，可以直接分析顱內壓力和等效應力，在標準姿態下的中高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內壓力分別為55.8 kPa和56.0 kPa（圖13），顱內最大等效應力分別為1.8 kPa和1.7 kPa（圖14），均遠小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風險極小。

由表1可知，標準姿態下在中速和高速追尾碰撞時，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟應變值均小于閾值，未見明顯損傷。

圖15中，Fx表示剪切力，Fz表示拉伸力。如圖15所示，標準姿態下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部剪切力極限3100 N，拉伸極限4000 N。

2.2.2 120°姿態追尾碰撞仿真試驗及損傷分析

120°姿態下中高速追尾碰撞仿真試驗乘員運動學響應如圖16、圖17所示。在0～30 ms時刻，座椅加速前進，由于慣性的作用，座椅和乘員產生相對位移，乘員胸部壓縮座椅靠背泡沫，乘員頭部和胸部受到座椅骨架的支撐作用；分別在30～88 ms和30～94 ms時間內，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向向上爬升，頭部受到來自頸椎的軸向力的作用，并在與頭枕的相互作用下，沿Y軸（左肩到右肩為Y軸正方向）方向產生一定的偏轉，下肢在慣性的作用下向靠近坐墊方向回旋并與其接觸；在追尾碰撞結束后，座椅泡沫由于物理性能出現反彈，推動乘員軀干和頭部向前運動，乘員頭部開始脫離頭枕。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆140 ms時刻運動學響應對比如圖18所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會產生更大的位移。

在120°姿態下的中速和高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內壓力分別為67.2 kPa和59.2 kPa（圖19），顱內最大等效應力分別為3.6 kPa和3.4 kPa（圖20），均遠小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風險極小。

由表2可知，在中速和高速追尾碰撞時，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟應變值均小于閾值，未見明顯損傷。

如圖21所示，120°姿態下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠小于

MERTZ等［27］公布的50%男性頸部剪切力極限3100 N，拉伸極限4000 N。

2.2.3 150°姿態追尾碰撞仿真試驗及損傷分析

中高速追尾碰撞仿真試驗乘員運動學響應如圖22、圖23所示。在0～80 ms時刻，座椅加速前進，由于慣性的作用，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向向上爬升，頭部受到來自頸椎的軸向力的作用，并在與頭枕的相互作用下，沿Y軸方向產生一定的偏轉，乘員下頜與胸部接觸，下肢在慣性的作用下脫離踏板，并彎曲與座椅坐墊接觸；隨著仿真的繼續，在頭枕的作用下，乘員頭部開始反向旋轉，分別在140 ms和146 ms時，乘員頭部與頭枕頂部接觸，直到170 ms時安全帶始終未脫離肩部，乘員下肢已脫離座椅坐墊，乘員腹部在安全帶的作用下產生較嚴重的壓縮變形。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆170 ms時刻運動學響應對比如圖24所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會產生更大的位移。

在150°姿態下的中速和高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內壓力分別為-96.3 kPa和-92.5 kPa（圖25），顱內最大等效應力分別為6.8 kPa和7.8 kPa（圖26），均遠小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風險小。

由表3可知，在中速和高速追尾碰撞時，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟的應變值均小于閾值，未見明顯損傷。

如圖27所示，150°姿態下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部載荷閾值。

2.2.4 180°姿態追尾碰撞仿真試驗及損傷分析

中高速追尾碰撞仿真試驗乘員運動學響應如圖28、圖29所示。隨著和座椅加速前進，由于慣性的作用，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向滑移，在安全帶肩帶的作用下，分別在90 ms和88 ms乘員身體達到最大位移；隨后，乘員下肢在慣性的作用下，以骨盆為中心開始偏轉，逐漸脫離座椅，同時，乘員頸部開始拉伸，在高速追尾碰撞中，乘員頭部在170 ms時已完全脫離頭枕。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆170 ms時刻運動學響應對比如圖30所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會產生更大的位移。

在180°姿態下的中高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內壓力分別為 -88.6 kPa和62.3? kPa（圖31），顱內最大等效應力分別為4.2 kPa和3.5 kPa（圖32），均遠小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風險小。

由表4可知，180°乘員姿態下，在中高速追尾碰撞時，碰撞速度越高，乘員肋骨與內臟器官應變值越大，但均未超出損傷閾值，未發現明顯損傷風險。

如圖33所示，180°姿態下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部載荷閾值。

2.3 對比分析

由表5可以看出，在標準姿態以及120°姿態中，乘員在中速追尾碰撞和高度追尾碰撞工況下，頸部韌帶最大應變值均小于損傷閾值。150°與180°姿態乘員在中速追尾碰撞工況下，頸部韌帶最大應變值均小于損傷閾值；在高速追尾碰撞工況下，前縱向韌帶最大應變值超過損傷閾值。并且可以看出，前縱向韌帶應變值在大角度傾斜姿態下，追尾碰撞速度越大，應變值越大。因為在追尾碰撞中乘員姿態傾角增大，頭枕對于頭部的支撐作用減弱，頸部拉伸程度與沖擊速度大小成正比，前縱向韌帶更易受到損傷。棘突間韌帶應變值隨乘員姿態角度增大而減小，這是因為棘突間韌帶連接相鄰椎骨，可限制脊柱過度前屈，當乘員傾斜角度較小時，在追尾碰撞中頭部與頭枕接觸后會發生回彈現象，導致頸部向前屈曲，棘突間韌帶應變增大；當乘員姿態傾角增大時，頭部與頭枕自然接觸，在追尾碰撞中回彈減弱，或直接向后滑移不發生回彈，因此頸部屈曲度減弱，棘突間韌帶應變值減小。

由表6可知，當乘員處于大傾角姿態時，安全帶作用力峰值大小對沖擊速度變化更為敏感。

當追尾速度增大時，150°與180°姿態下，乘員安全帶接觸力峰值增量較標準姿態與120°姿態變化量大。乘員姿態角度越大，座椅靠背與頭枕對乘員在碰撞過程中的運動變化干涉越小，乘員容易越過頭枕向后滑移，且速度越大滑移量越多，因此安全帶對于人體的作用力更大。

3 結論

（1）在中高速追尾碰撞中，座椅一體式安全帶可有效地將4種不同姿態角度的乘員胸腹部約束在座椅上，但下肢在慣性的作用下會以骨盆為中心偏轉并脫離座椅。當乘員處于150°與180°姿態時，安全帶對人體的約束作用更加明顯。

（2）在4種姿態角度下的中高速追尾碰撞中，乘員的肋骨均沒有發生骨折，肺部、心臟、肝臟、腎臟、脾臟等內臟器官都未見損傷。因此，乘員姿態傾角變化對肋骨及內臟器官影響較小。

（3）在高速追尾碰撞中，150°和180°姿態乘員在慣性作用下頭部位移增大并脫離頭枕，頸部被拉伸，頸部前縱向韌帶出現損傷。這可能是由于隨著座椅靠背角度的增大，頭枕對頭部姿態的支撐作用減弱，無法有效限制頭部位移。

（4）在追尾碰撞中，乘員頸部棘突間韌帶應變值隨姿態傾斜角度的增大而減小。這是因為棘突間韌帶與脊柱向前屈曲有關，當人體傾斜角度增大時，頭頸部在追尾過程中的回彈減弱甚至不發生，從而減小前屈程度，使得棘突間韌帶應變值減小。

（5）本文的研究簡化了乘員的乘坐環境，關于乘員下肢的偏轉是否會與內飾撞擊而產生損傷，將在后續展開研究。項目的研究目前以仿真試驗為主，對追尾碰撞中乘員的運動學響應和損傷預測存在一定的偏差。但隨著人工智能技術的不斷發展，自動駕駛汽車將在不久的將來走進人們的生活，不同的駕乘環境和多樣的乘坐姿態必將對乘員安全提出挑戰，因此本研究具有一定的理論意義和參考價值。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

武和全，男，1982年生，博士、副教授。研究方向為汽車碰撞安全，乘員碰撞損傷。E-mail：csust_vehicle@hotmail.com。

胡 林（通信作者），男，1978年生，博士、教授。研究方向為智能駕駛、交通事故深入調查及預防。E-mail：hulin888@sohu.com。